基于組合繼電器的越野車自動踏板控制方案

陳立霆， 王關海， 韓 彬， 王 巍， 蔡伯松， 馬文聰

（一汽解放汽車有限公司， 吉林 長春 130000）

隨著汽車電子技術的發(fā)展，大型越野車在人機工程方面的設計越來越受重視，用戶在登車踏板方面提出了更高的要求。傳統(tǒng)越野車上下車門使用固定式踏板，與車側(cè)門處于同一垂直面，踏板不能外伸。人員上車時必須借助登車扶手，手臂和腿同時用力到達上車目標。下車時，需要后背朝向車外，用腳尖盲探登車踏板，踩住踏板然后下車。大型越野車車體地板與地面垂直高度普遍達1.2m以上，從人機工程角度觀察，固定踏板方式費力且完全不夠方便。從安全性角度觀察，人員上車時有鞋底與踏板打滑導致小腿及膝蓋磕傷風險。

參考國內(nèi)某大型越野車，本文設計一種新型越野車自動踏板控制方案。該大型越野車為整體式車身，最大座位數(shù)量達16座以上。車門5個，分別為僅供駕駛員和副駕駛員出入的主駕駛門、副駕駛門，供所有成員出入的左中門、右中門和尾門。考慮到主副駕駛門使用人數(shù)各1人，使用頻次低，左中門、右中門和尾門使用頻次高，累計單次使用人數(shù)10人以上，從成本考慮，左中門、右中門和尾門采用自動踏板方案，操作車門，車門對應踏板自動收放，各車門獨立控制，互不影響。主駕駛門、副駕駛門仍使用傳統(tǒng)固定式登車踏板。

本自動踏板控制方案由報警控制器、控制電路、電磁閥、氣缸及機械結(jié)構(gòu)等部分組成。打開左中、右中、尾門某個或某幾個車門時，對應位置踏板自動外翻，從垂直收起狀態(tài)繞軸旋轉(zhuǎn)約90°變?yōu)樗剑┏藛T踩踏上車。乘員上車關閉車門后，踏板自動上翻90°，重新回到與地面垂直的初始狀態(tài)。如圖1 所示。另外，在踏板外翻和收起前，在踏板附近車體上有聲光提醒。

圖1 踏板狀態(tài)

1 單個車門自動踏板控制方案

本設計方案由報警控制器、控制電路、電磁閥、氣缸組成一個車門自動踏板的控制系統(tǒng)。通過車門打開和關閉兩種狀態(tài)變化，經(jīng)過報警控制器及控制電路、氣路、機械結(jié)構(gòu)后，完成踏板自動外翻和自動收起，并伴有警示燈和蜂鳴器警示音。系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 單個車門自動踏板系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)詳細設計方案如下。電路控制系統(tǒng)由整車提供24V電源和搭鐵線。氣路控制系統(tǒng)由整車提供氣源。當車門打開/關閉狀態(tài)變化時，安裝在車門上的門開警報開關導通/斷開，輸出搭鐵信號/不輸出信號 （以下簡稱輸出空信號）。每當報警控制器檢測到某門開警報開關狀態(tài)變化時，立即輸出電壓給安裝在該車門踏板附近的警示燈和蜂鳴器，使之產(chǎn)生預設時長的閃爍燈光和蜂鳴報警音，提示該車門附近乘員自動踏板即將動作。

門開警報開關信號經(jīng)過控制電路處理后，輸出電信號給對應的電磁閥。電磁閥1/電磁閥2收到電信號后其中一個電磁閥的閥門打開，該閥門氣路與整車氣源貫通，從氣缸的一端充氣；另一個電磁閥與大氣壓連通，氣缸內(nèi)活塞在壓強差的作用下向設定方向動作，帶動機械結(jié)構(gòu)，拉動踏板使之打開/收起。

當車門關閉而當前踏板未收起，或車門打開而踏板未放下，則報警控制器向整車組合儀表發(fā)送報警信號，儀表進行文字提示，提醒駕駛員自動踏板狀態(tài)異常請進行檢查。

1.1 電磁閥、氣缸執(zhí)行機構(gòu)

控制電路后接2個電磁閥和氣缸。2個電磁閥的進氣管接整車氣源，出氣管分別接氣缸兩端，當控制電路輸出給其中一個電磁閥電信號指令的時候，電磁閥動作，對應氣路貫通，電磁閥出氣管1或出氣管2給氣缸從一端快速充氣，氣室A或氣室B一端氣壓增大，另一端與大氣連通，氣壓差推動氣缸內(nèi)部活塞運動，活塞帶動連接踏板的機械結(jié)構(gòu)運動，踏板繞其固定在車體上的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)踏板收起和踏板打開的狀態(tài)切換。當控制電路輸出給另一個電磁閥電信號指令時，氣缸會從另一端充氣，帶動機械結(jié)構(gòu)反向動作改變踏板狀態(tài)。氣缸執(zhí)行機構(gòu)見圖3。電磁閥與氣缸連接氣路結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 氣缸執(zhí)行機構(gòu)

圖4 氣路結(jié)構(gòu)

1.2 控制電路

單個車門的控制電路如圖5所示，由一個5腳繼電器和2個4腳延時繼電器組成。5腳繼電器K1為主繼電器。2個4腳延時繼電器為從動繼電器。主繼電器用于控制從動繼電器，從動繼電器用于控制2個電磁閥。

圖5 單個車門自動踏板控制電路

某越野車門開警報開關在車門打開時，車門警報開關連通整車的搭鐵線，向K1主繼電器輸出搭鐵信號。車門關閉時，門開警報開關與整車搭鐵線斷開，向K1主繼電器輸出空信號。車門警報開關信號作為主繼電器K1的輸入信號，使K1分別處于常閉觸點接通和常開觸點接通狀態(tài)。K1常閉觸點的輸出引腳與常開觸點的輸出引腳分別作為延時收起繼電器K2和延時打開繼電器K3的控制端。K2和K3繼電器控制相應電磁閥動作，分別從不同方向給氣缸充氣，推動活塞運動，帶動踏板自動收起或打開。

延時繼電器是指繼電器從獲得輸入信號開始，到觸頭動作有一定延時，其延時符合準確度要求的繼電器。K2、K3選用延時繼電器，可以在車門關閉和打開時，門開警報開關發(fā)出信號后，經(jīng)一定的延遲時間 （自定義） 后再使踏板收起或放開，避免車門關閉和打開瞬間踏板動作，操作乘員閃避不及時導致踏板碰撞身體受傷。

1.2.1 報警控制器的作用

報警控制器有兩個作用：一是踏板動作警示。車門打開或關閉時，門開警報開關輸出信號變化，報警控制器管腳8在接收到門開警報開關信號變化的瞬時通過管腳5驅(qū)動警示燈和蜂鳴器工作，提醒乘員踏板即將動作。管腳5的驅(qū)動電壓在自定義時長后取消，警示燈和蜂鳴器停止工作。踏板在經(jīng)過自定義的延遲時間后進行收起或放下動作。二是踏板狀態(tài)異常報警。報警控制器按照設定時間間隔比較管腳7采集的踏板收起開關信號和管腳8采集的車門開關狀態(tài)，當識別出踏板狀態(tài)異常，即車門處于打開狀態(tài)且踏板處于收起狀態(tài)，或車門處于關閉狀態(tài)且踏板處于未收起狀態(tài)，此時，報警控制器內(nèi)部開始計時，若超過延時繼電器的設定延遲時長，管腳7和管腳8的信號比較結(jié)果仍未變化，則報警控制器通過CAN線向整車組合儀表發(fā)送報警信號，組合儀表液晶屏出現(xiàn)提示文字“踏板狀態(tài)異常”，提醒駕駛員進行檢查處理。

1.2.2 單個車門自動踏板控制電路

K1繼電器的30腳、86腳接通24V常電，85腳接收門開警報開關的電信號，常閉觸點87a接到延時繼電器K2的86腳，常開觸點87腳接到延時繼電器K3的86腳。K2繼電器的87腳接電磁閥1線圈端 （控制踏板收起），K3繼電器的87端接電磁閥2線圈端 （控制踏板打開）。K2、K3繼電器的30端接24V常電，85腳搭鐵。

當車門打開時，門開警報開關彈出，開關輸出搭鐵信號，K1繼電器的線圈端85腳電壓為0V，86腳為24V，K1繼電器線圈端85/86之間產(chǎn)生24V電勢差，K1繼電器銜鐵吸合，常閉觸點87a與30腳斷開，常開觸點87與30腳接通。K2繼電器線圈端86/85之間無電勢差，不動作。K1繼電器輸出給K3繼電器86腳24V電壓，使K3繼電器 86/85腳存在24V電勢差，K3繼電器銜鐵吸合，K3繼電器的87腳輸出24V電壓給電磁閥2線圈端，電磁閥2動作，該電磁閥出氣管與整車氣路貫通，使氣缸充氣，推動活塞向外運動，帶動踏板打開。

當車門關閉時，門開警報開關壓縮，輸出空信號，K1繼電器的線圈端85為懸空，86為24V，85/86之間無電勢差，K1繼電器銜鐵不吸合，常閉觸點87a與30腳保持接通，常開觸點87b無電信號，無任何輸出。K1繼電器輸出給K2繼電器86腳24V電壓，使K2繼電器86/85存在24V電勢差，K2繼電器銜鐵吸合，K2的87與30接通，87腳輸出24V電壓給電磁閥1線圈端，電磁閥1動作，該電磁閥出氣管與整車氣路貫通，使氣缸充氣，推動活塞向內(nèi)運動，帶動踏板收起。

門開警報開關輸出的兩種信號分別是搭鐵信號和空信號，分別定義為1和0。根據(jù)門開警報開關信號的輸入，對應的繼電器和踏板收起開關的輸出波形如圖6所示。

圖6 輸入輸出波形

2 多個車門自動踏板控制電路

通常一輛車具備多個車門，如某越野車左車門、右車門、尾門設置為自動踏板，正確的控制邏輯應是打開某車門時對應的警示燈蜂鳴器工作、自動踏板動作，其他車門警示燈、蜂鳴器、踏板不工作。多車門自動踏板控制電路 （圖7）是將多套控制電路并聯(lián)組合，將每個單車門控制電路的輸入電源并聯(lián)，所有的搭鐵信號并聯(lián)，即每個車門控制電路報警控制器電源、主繼電器的30腳和86腳、延時繼電器的30腳并聯(lián)在24V常電上，所有報警控制器的搭鐵管腳、延時繼電器的85腳并聯(lián)搭鐵即可。報警控制器的預置管腳分別接入各車門的門開警報開關信號、踏板收起開關信號，通過識別和比較各開關信號進行警示燈、蜂鳴器報警控制及異常情況向組合儀表報警。

圖7 多個車門自動踏板控制電路

多車門自動踏板控制電路并聯(lián)的好處是可以將輸入電源統(tǒng)一管理，方便集中設置熔斷絲，便于維修檢查線路。報警控制器僅使用一個進行集中控制，降低成本。

3 結(jié)論

本車門自動踏板設計方案具有原理簡單、便于實現(xiàn)、成本低廉的特點，實現(xiàn)了越野車打開車門后登車踏板自動外翻打開、關閉車門后登車踏板自動豎直收起的功能，并能在自動踏板收放之前進行聲光提醒乘員注意踏板動作，還具有踏板狀態(tài)異常報警能力。控制電路中使用延時繼電器，使踏板在車門打開/關閉瞬間踏板并不動作，經(jīng)過設定時滯才會打開/收起，一定的緩沖時間結(jié)合聲光提醒能讓車門操作者及乘員避開踏板，避免砸傷身體。在實際使用中，越野車用戶表示自動踏板使用方式新穎，科技感高，極大地提升了登車和下車體驗。此設計方案已在某越野車上完成了10000km的地區(qū)適應性試驗，試驗驗證了該自動踏板設計方案具有良好的可靠性和耐久性。